地熱開發

地熱開發是指對貯存在地球內部的可再生熱能進行開發來達到利用的目的。地熱是一種特殊的資源,首先既像其他資源一樣能被人們開發利用、造福人類,同時它又與別的資源有著巨大的差異。在其開發利用的過程中,它不像有些資源那樣會破壞生態環境,恰恰相反,合理地利用地熱資源能有效地保持生態環境,這就是為什麼近年來各國都了十分注重開發利用地熱資源的原因之一。詳細介紹國了內外地熱能開發利用的現狀、開發過程中的環境問題、環境保護措施、以及國內地熱開發利用項目實例。

基本介紹

• 中文名：地熱開發
• 外文名：geothermal exploitation
• 關鍵：保護環境、提高利用效率
• 類型：清潔能源開發
• 領域：能源
• 學科：熱力學

資源介紹

地熱能(Geothermal Energy〕是由地殼抽取的天然熱能，這種能量來自地球內部的熔岩，並以熱能形式存在，是導致火山爆發及地震的能量。
地熱來源：主要是地球內部長壽命放射性同位素熱核反應產生的熱能。
地熱資源種類繁多，按其儲存形式，可分為蒸汽型、熱水型、地壓型、乾熱岩型和熔岩型5大類；按溫度可分為高溫（高於150℃）、中溫（90 ℃ -150 ℃ ）和低溫(低於90 ℃）地熱資源。
從總量上來看，我國主要是以中低溫地熱資源為主的。

地熱能是指貯存在地球內部的可再生熱能，一般集中分布在構造板塊邊緣一帶，起源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變。全球地熱能的儲量與資源潛量十分巨大，每年從地球內部傳到地面的熱能相當於100PW h,但是地熱能的分布相對比較分散，因此開發難度很大。由於地熱能是儲存在地下的，因此不會受到任何天氣狀況的影響，並且地熱資源同時具有其他可再生能源的所有特點，隨時可以採用，不帶有害物質，我國主要沉積盆地儲存的地熱能量為736億億千焦耳，相當於標準煤2500億噸。全國地熱可開採資源量為每年68億立方米，所含地熱量為973萬億千焦耳，折合每年3284萬噸標準煤的發電量。

目前，我國地熱資源開發利用已初具規模，年利用地熱能為100億千瓦時，並且地熱開發利用量以每年近10%的速度增長。全國已經基本形成以西藏羊八井為代表的地熱發電、以天津和西安為代表的地熱供暖、以東南沿海為代表的療養與旅遊和以華北平原為代表的種植和養殖的開發利用格局。但是，我國地熱在能源結構中占的比例還很小，因此，加快地熱資源開發利用的速度和步伐勢在必行。

國外開發現狀

一.地熱發電技術

1904年，義大利在拉德瑞羅地熱田建立了世界上第一台熱力發電機組。到2002年底，世界上已有21個國家利用地熱發電，總裝機容量達8438MW，生產電力約50000GWh，其中以美國、菲律賓、義大利、墨西哥、印度尼西亞、日本、紐西蘭等國較多。估計全世界尚有熱力發電站潛力97061MW。

二.地源熱泵技術

1912年，瑞士Zoelly首次提出利用淺層地熱能作為熱泵系統低溫熱源的概念。現今，地源熱泵已在北美、歐洲等地廣泛套用，技術也趨於成熟。美國正在實現每年安裝40萬台地源熱泵的目標；在瑞士、奧地利、丹麥等北歐國家，地源熱泵在家用的供暖設備中占很大比例。

三.地熱供暖技術

世界很多國家對地熱供暖廣泛運用。冰島地處北極圈邊緣，氣候寒冷，一年中有300—340天需要取暖，其主要能源中地熱能占48.8%。

地熱是匈牙利主要資源之一，分布範圍極廣，總面積約為9.3×104km2，占全國總面積的2/3.

我國開發現狀

我國的高溫資源主要分布在西藏、滇西及台灣地區,分屬於地中海喜馬拉雅環球地熱帶及環太平洋島弧地熱帶。而中低溫地熱資源廣泛分布於大陸地殼隆起區和沉降區。我國的地熱開發利用始於70年代,20多年來,在地熱勘探和開發利用方面積累了豐富的經驗。

現已發現地熱點近3 000處,勘探地熱面積3 677 km2,成井2 000餘眼,建成43個地熱田(包括台灣)。利用範圍包括發電、醫療、採暖、養殖、工業利用等十餘個行業,我國地熱發電主要集中在西藏:羊八井電站裝機2.518萬kW,到1991年累計發電3.7億kW.h,占拉薩電網的40%～50%;羊易熱田計畫首期裝機15 MW。雲南騰衝地熱田目前投資1 400萬元進行電站前期工作,計畫裝機上萬千瓦級。目前,全國地熱電站共有6個,總裝機容量31MW。除電力利用外,地熱的直接利用也相當廣泛,總熱容量達1 945 MW。

我國地熱直接利用還包括療養、養殖、採暖。全國有8省市利用地採暖,總面積131.4萬m2,其中北京、天津兩市占120萬m2,節煤3萬多噸,少向大氣排放廢氣粉塵三千多噸。塘沽供暖面積62萬m2,服務人口10萬。據1988年8月統計,有13個省市建有地熱溫室,總面積378 288 m2),其中河北省189 150 m2,占49.9%。全國17個省市利用地熱水養魚,總面積1.119 Mm2,其中陝西2個面積為13萬m2和6.6萬m2的魚場規模最大,福建養鰻有20多處,近466 704 m2。我國溫室療養地超過150處。地熱直接利用居世界第二位。

環境問題

空氣污染

在開發地熱能的過程中,熱流體中所含的各種氣體和懸浮物將排入大氣中,對周圍環境造成影響。對環境影響較大的氣體主要有H₂S、CO₂。H₂S氣體對人體危害較大,濃度低時能麻痹人的嗅覺神經,濃度高時可使人窒息而死亡。CO2也有一定的窒息作用,最主要的是其對氣候的溫室效應。

較高的H₂S含量一般發生在高溫地熱田中。中低溫熱田中的H₂S含量較少。在利用高溫蒸汽發電時,大量的H2S氣體逸出。H₂S氣體在通風條件較好的地方,一般不會造成事故,但在井口隨意放噴時,使熱流體中的H₂S氣體散布於大氣中,在較長的時間段,不但對人體有害,還對電氣設備及其它設施造成腐蝕。含H₂S的地熱尾水直接排入水體,魚類和藻類的生存也將受到影響。現在一些國家,對新建的地熱發電站,要求引入保護環境的表面接觸式冷凝器,設定除H₂S的裝置,並要求對污渣進行處理。
CO₂是地熱排汽中不凝氣體的主要成分,且含量高達80%～95%,如果任意向大氣排放,也會增加溫室效應的產生。還會由於大氣中CO₂氣體含量過多造成高空臭氧層出現“空洞” ,引起太陽輻射流強度增加,對大氣環境產生巨大的不良影響。

另外,人們還擔心H₂S、CO₂是否會引起酸霧,但至今為止,還沒有證明這種影響的存在。

化學污染

地熱水的形成一般為大氣降水經過地下深循環,與圍岩進行化學物質交換,圍岩中各種化學組分進入水體,使地熱水中含有對環境有益和有害的常量成分、微量成分及放射性成分。通過不同地區的地熱開發,我們發現在這些成分中對環境和生態造成污染的主要有:鹽類的污染和有害元素的污染等。

(1)鹽類的污染

地熱水大多數礦物質的溶解度隨溫度的升高而增大,因此在地熱水中,一般含有較高的總固體、氟化物、氯化物等物質。這些高鹽度的地熱水和上述有關的環境標準比較,均超過標準中所規定的含量。如果地熱能被利用後,棄水作為灌溉水來源,高鹽度的水將引起土壤鹽漬化和土地板結。高鹽度的熱水在回灌和供暖時,隨著溫度的降低,將產生結和化學垢沉澱物,使管徑縮小而被堵塞。
(2)有害元素的污染

由於長期的水岩作用,使地熱水中含有多種重金屬元素和其它微量元素,其含量超過飲用水水質標準或其他一些標準。這些熱水給環境和生態帶來不利影響,如F、B、As等。柑桔及其它水果對含量低達0.5 mg/L的B的敏感性早有明文記載。有的熱水中F含量高達10～20 mg/L,硼化物含量>100 mg/L,As高達<10 mg/L,都嚴重超過許多種標準中規定的含量,未經處理,不僅不能飲用,如果進行灌溉和養殖,對糧作物及魚類也有害,即使排入河流和其他水體中,對水體也將造成污染。還會由於水體、魚類、糧作物中有毒物質的長期富集並通過食物鏈直接或間接地對人體和生物造成危害。

熱污染

目前我國的地熱資源大多以單一利用為主,當熱能利用後,尾水溫度仍很高。在我國西藏羊八井熱田,由於棄水溫度高達70～80℃ ,自1978年開始開採,到1992年,地熱電站二分廠厂部附近約2 000 m2的地面,溫度升至40～90℃。華北有些地區,如天津、河北雄縣廢水溫度達40℃。這些尾水的排放,促使局部空氣和水體的溫度升高,改變生態平衡,影響環境和生物生長,造成熱污染。

噪聲污染

噪聲污染一般是由鑽探和地熱井放噴造成的。在鑽探過程中,各種機械噪聲高達90dB,乾熱田鑽進的噪聲可能達80 dB(相當於噴氣式飛機起飛的水平),這對居民區和鑽工的身體造成影響。另外地熱井放噴時其噪聲值可達120 dB以上,雖然時間較短,但其尖聲也使人的耳朵受到傷害,使野生動物和家禽受到影響。

地面干擾沉降

在地熱開發利用過程中對地面的干擾較小,主要表現在地熱開發過程中,由於挖掘引起的地面破壞及地面不整潔,且由於地熱開發及地熱發電場地局限,而且場地固定,不象燃料發電,占用大量的土地,並需採礦、運輸和廢渣處理。因此,地熱地面干擾沒有燃煤開採和水力發電那樣強烈。

幾乎從任何熱儲中長期抽出流體都有可能導致可以監測到的地面沉降。地熱流體也是一樣,當地熱流體的抽出量超過天然補給量時,地面沉降發生,其實際沉降量取決於抽出的流體量和熱儲岩石的強度。具有最佳地面沉降記錄材料的一例是紐西蘭的懷拉基地熱區,,這個地區在1956年井孔試驗開展以後就開始了地面沉降的測量工作。1964～1974年期間的地面沉降量最大,大約為4.5 m,影響範圍達65 km2。並且發生了水平運動,最大水平移動為0.4 m。在加利福尼亞蓋瑟爾斯也觀察到了向心沉降的相似背景。且局部水平運動的幅度與垂直下沉的幅度大體一樣,這說明了熱儲由於內壓力的降低在垂直和水平方向上都發生了收縮。我國天津市根據市區沉降測量表明,開採300 m深度以下地下水,對地面沉降影響約占總沉降量的35%～50%。長期的超量開採地熱能及水位下降引起鹽水入侵,造成熱泉和噴氣孔等地面自然現象消失,地面活動改變。我國羊八井著名的熱泉消失是很好的一例。

地震活動

地熱異常區多數是現代火山、近代岩漿活動地區或近代地殼構造運動活躍地區。這意味著地熱資源開發一般發生在自然斷裂通道和活斷層上,即地熱資源開發大部分在區域地震活動性強的地區內進行。當抽取和注入流體時,一旦流體壓力超過啟動斷層運動所需的臨界值時,就會誘發地震。根據世界上許多國家的地熱區長期的監測和美國地質局在1969年確定誘發地震和阻止地震發生的條件有控實驗(Raleigh等,1976),確定流體的注入有可能誘發地震的條件是:存在斷層,而且橫斷斷層已經積累了相當大的剪下應力;流體向斷層帶的注入壓力超過了啟動斷層運動所要求的臨界值。不過現有的資料表明,由於地熱流體的抽取或回灌而誘發的明顯地震比較罕見,而且即使地震發生,一般是輕微的,不會對地面設施生影響。

針對地熱開發利用中可能產生的環境問題,需要在開發之前進行環境評價,在開發和利用過程中要對地熱尾水等進行必要的處理和合理的排放。

環境保護措施

制定有關法規

各國在這方面都愈來愈重視,制定有關的法規,以規範地熱開發活動,對新的地熱工程項目要求提交影響評價報告,建立監測計畫以觀測地熱開發過程中所有的可能的環境效應。美國嚴格禁止向地表環境排放地熱水,地熱公司如果沒有嚴格的環境保護措施,將不得進行地熱電站建設和運轉,地熱勘探開發之前必須要有環境與經濟影響評估報告。在菲律賓,地熱開發的每個階段,包括地質調查、地質勘探(公路建設、房屋建設、砍伐樹木等)、生產井鑽探階段和資源開發階段,都必須獲得有關部門頒布的環境許可證才能進行操作。其它國家如日本、紐西蘭、德國、冰島、義大利等都有相應的一系列法規來約束和減小地熱開發對環境的影響。我國《地熱資源、開發利用管理條例》第五章第二十四條規定:在制定地熱開發利用規劃時,必須包括對開發利用後所產生的環境影響進行評價和預測,並提出防治和解決措施,否則計畫主管部門不予批准。在地熱資源勘探規範中我國也明確規定要進行地熱流體
質量和環境質量評價,但在整個地熱流體開發過程中相對於資源的勘探來說顯得薄弱,在環境意識逐漸加強和保證可持續發展的要求下,完善和規範對地熱開發的環境影響的評估是當務之急。

採取處理措施

地熱廢水、廢氣的回灌　目前被認為是各個國家普遍套用經濟有效的處理方法。其優點是將地熱廢水回灌地下,既可保護環境,又維持儲層壓力,同時又可以將熱儲固體的熱再汲出,延長熱田的壽命,這不僅使環境得到了保護,也使地熱儲層得到了保養。缺點是回灌產生局部含水層泄漏,並可能誘發地震,但選擇合適的場地可以避免上述問題。回灌的難點是由於棄水的溫度變化,某些礦物沉澱破壞熱儲層或回灌井,目前各國都在回灌前對棄水進行預處理以減小這種風險。

CO₂和H₂S處理　地熱流體中向環境排放的重要氣體是CO₂和H₂S。關於CO₂的溫室效應正在與其它常規能源進行對比研究,而H2S的排放對環境的影響是較大的。在美國的加州,從地熱蒸汽中除其H₂S是強制性的。一系列的去除過程已被開發出來,目前的方法多是燃燒產生剩餘的硫酸產品。

解決熱污染的方法　對於熱污染,控制和解決的方法較多,最好的方法是儘量採用梯級多次利用熱資源,提高熱水的利用率,降低排放尾水的溫度。其次是回灌和蒸發,蒸發比較經濟。如回灌困難,則可採用坑塘蒸發,同時坑滲也可以處理廢水,但可能由於SiO2沉積而影響滲入量,並可能造成土地廢棄。
地熱棄水的處理還有其它化學和生物處理方法。

噪聲污染的防治　主要是地熱鑽探和地熱電站,鑽探要求鑽工戴防耳罩。蒸汽井噪聲主要是通過安裝消音器來消除。

項目實例

源熱泵系統

土壤源熱泵變風變水量空調系統

該土壤源熱泵系統是利用地熱能作為低位熱源土壤耦合熱泵系統，通過熱交換器，熱泵系統夏季向土壤中釋熱，冬季從土壤中取熱（釋冷），與水源熱泵系統相比，該熱泵系統同樣具備了能效比較高的優點，且運行管理簡單，被稱為21世紀的一項以節能和環保為特徵的最具有發展前途的空調和採暖技術，也是國際上空調和製冷行業的前沿課題之一。該系統具有環保、節能、可靠等顯著的優點，是一種理想的“綠色空調”技術。

農業溫室供熱

該課題以10000平方米溫室為研究對象，利用地熱井80℃以上的熱水為基本熱源，結合溫室各種特性和環境條件，研究溫室熱負荷計算方法、溫室地熱能蓄熱與太陽能蓄熱結合技術及尾水綜合利用和轉換技術，完成高地熱利用率農業溫室供熱系統研究。該課題建立了溫室微氣候的零維穩態和非穩態數學模型，完成了溫室動態熱負荷計算軟體的研究與開發。該軟體熱負荷預測值與兩個實際溫室相應實測數據基本相符。並對高地熱利用率供熱系統進行了系統的研究，提出了複合式溫室地熱供熱系統的工藝流程，並進行了技術經濟分析。同時利用天津市華泰現代農業示範園區地熱井，進行了地熱高利用率溫室供熱系統示範。

地熱綜合利用

項目簡介：該項目建立以70～75℃地熱熱水為熱源，採用熱水型溴化鋰兩級吸收式制冷機的地熱製冷空調系統，製冷量為100kW，在冷卻水溫度為30℃的條件下，提供為9℃的空調用冷凍水。在冬季該系統為建築物提供採暖；建立以60～65℃地熱熱水為熱源的地熱乾燥裝置，日乾燥農副產品為500kg；地熱製冷或地熱乾燥排放的約50～60℃的地熱水用於洗浴、溫泉泳池的熱水；利用洗浴和溫泉排放的約30℃的熱水為熱源，建立養殖池，養殖適合的魚類，如甲魚等；利用魚池熱水，保持魚池周圍土地的溫度，種植適合於旅遊環境的熱帶觀賞性植物和花草。該項目對我國調整能源結構、促進經濟發展、實現城鎮化戰略等有重要的意義。

技術經濟分析

項目簡介：地源熱泵空調系統是一種以地熱作為熱源的熱泵空調技術，其工作原理是依靠消耗少量的電力驅動壓縮機完成製冷循環，利用土壤溫度相對穩定的特點，通過深埋土壤的管路系統進行熱量交換，夏天向大地釋放熱量，冬天向大地吸收熱量，從而實現室內製冷或供暖的要求，由於系統採取了特殊的換熱方式，在消除熱島效應(夏季)及“冷島”效應方面，以及在利用可再生能源(土壤蓄放熱量)方面，都具有普通空調系統不可比擬的
優點。

製冷空調

項目簡介：該系統以>70℃的地下熱水為動力，以溴化鋰-水為工質，輸出7～9℃的冷凍水，用於室內空調，機組的電耗只有制冷機組輸出功率的3%，地熱水經過制冷機後的溫度降到約60℃，經過換熱，可為用戶提供約55℃的生活熱水。同時該系統利用廣泛存在於地球淺表層的地能(土壤、地下水、地表水)，在採暖季節作為熱泵運行的熱源，在夏季時製冷空調。

淺層開發技術

項目簡介：該項技術主要藉助於地熱泵通過封閉的或開放的特殊地下循環系統，在冬季把地層中的熱量提取出來，供給予室內取暖；在夏季把室內的熱量取出來，送回地層中，使室內製冷。通過消耗1KW的電能，同時可以獲得4KW以上的熱量或冷能。該項技術的特點主要是封閉式的地下循環系統，克服了開放式循環系統的不足，如不污染地下水，適用於無地下水區，地下循環系統壽命長，維護費低等。該技術可廣泛套用於任何地區，為學校辦公樓、醫院、賓館、飯店、超市、幼稚園、別墅和居民區等提供中央空調系統，並同時提供生活熱水，其市場前景非常廣闊。

中高溫熱泵

項目簡介：該項目通過充分利用不同工質熱力學性質的差異，將兩種或幾種工質組合起來(混合工質由二元或多元組成，分為共沸混合物和非共沸混合物)，互相取長補短，作為熱泵工質。混合工質可以改善熱力循環，提高循環效率，同時可以擴大溫度區域，能較好地滿足中高溫熱泵的要求。該項目在研究階段分別建立了兩套示範系統，根據用戶要求的溫度範圍，完成了適用較大範圍(40～80℃)混合工質的篩選與研究，使熱泵系統的供水溫度可達70℃，系統的COP超過3.0。目前已建成幾個規模大小不等的工程，例如德州兩座小別墅的供暖供冷的熱泵工程，山東濱州油田某工廠的熱泵供熱工程等。

新技術研究

項目簡介：該項目主要綜合了對地熱供熱系統設備及現代化管理運行方式的研究。該項新技術研究具有較高的工程實用性，有很好的利用和推廣價值，該項目採用變頻調速控制系統，能節約地熱資源，用電量與未使用變頻調速裝置比可節電57%，節地熱水27%、單位採暖面積運行費可下降15%。該項目研製的旋流式除砂器的現場採樣分析表明，地熱水中含砂量為0.8mg/l。自動監測系統能直接反映運行狀態的參數井提供累計參數。其軟體的思路、結構和接口均具有可移植性。該項目在國內地熱採暖系統中首次將線性極化技術套用於地熱現場進行腐蝕研究，實現瞬時腐蝕速度的監測。